Γεωμετρική οπτική – οπτικά τηλεσκόπια.

Ενα χαλαρό άρθρο για διάλειμμα από την προετοιμασία για τις εξετάσεις.

Είναι γνωστό ότι η μόνη σχεδόν πηγή πληροφοριών που έχουμε για τα ουράνια αντικείμενα είναι το σύνολο της Η/Μ ακτινοβολίας που αυτά εκπέμπουν. Η ατμόσφαιρα έχει δύο παράθυρα εισόδου Η/Μ ακτινοβολίας ένα στο οπτικό και ένα στα ραδιοκύματα. Εδώ θα ασχοληθούμε με το πολύ μικρό οπτικό παράθυρο (400 nm – 700 nm) που καταγράφεται από οπτικά τηλεσκόπια που βασίζονται στη γεωμετρική οπτική. Το είδωλο που σχηματίζεται στην εστία του συλλέκτη μπορούμε να το φωτογραφίσουμε, να πάρουμε το φάσμα του, να το φωτομετρήσουμε(ροή ενέργειας, λαμπρότητα) ή να το παρατηρήσουμε αφού το μεγενθύνουμε με προσοφθάλμιο φακό.

Υπάρχουν 2 βασικοί τύποι γήινων οπτικών τηλεσκοπιων. Τα διοπτρικά και τα κατοπτρικά.

Στο πρώτο σχήμα πάνω βλέπουμε την αρχή λειτουργίας των διοπτρικων τηλεσκοπίων. Πρόκειται για συγκλινοντα σφαιρικό φακό όπου παράλληλες φωτεινές ακτινες από μακρυνό αντικειμενο διαθλωνται στις σφαιρικές επιφάνειες και συγκλίνουν σε ένα σημείο γνωστό ως εστία. Η απόσταση της εστίας από το κέντρο του φακού ονομάζεται εστιακή απόσταση του φακού και είναι συνάρτηση του δείκτη διαθλασεως του γυαλιού και των ακτίνων καμπυλότητας των δύο σφαιρικων επιφανειών. Η εστιακή απόσταση ενός φακού είναι ένα στοιχείο που δίνεται από τον κατασκευαστή. Η παραπάνω εστίαση δέσμης φωτός παρουσιάζει δύο σημαντικά σφάλματα. ΤΟ ΣΦΆΛΜΑ ΣΦΑΙΡΙΚΟΤΗΤΑΣ είναι η εστίαση των ακτίνων μακρυά από το κέντρο του φακού σε σημεία διαφορετικά από την εστία κάτι που αλλοιώνει το είδωλο. Το σφάλμα μπορεί να αντιμετωπιστεί με διάφραγμα που απομονώνει τις μακρυνες ακτίνες ή με συνδυασμό φακών ή με χρήση παραβολοειδων και όχι σφαιρικων επιφανειών. ΤΟ ΧΡΩΜΑΤΙΚΌ ΣΦΆΛΜΑ οφείλεται στην εξάρτηση της γωνίας διάθλασης από το μήκος κύματος με αποτέλεσμα τα διάφορα χρώματα του ορατού φωτός να μην εστιάζονται στο ίδιο σημείο. Το σφάλμα μειώνεται σημαντικά με τη χρήση αχρωματικού προσοφθαλμιου φακού που είναι σύστημα φακών.

Στο δεύτερο πάνω σχήμα βλέπουμε την αρχή λειτουργίας των κατοπτρικων τηλεσκοπιων που βασίζεται στα κοιλα κάτοπτρα. Όπως και στους φακούς έτσι και το κάτοπτρο εστιάζει μια παράλληλη δέσμη φωτός στην εστία με ανάκλαση όμως τώρα. Ομοίως η απόσταση της εστίας από το κέντρο του κατόπτρου ονομάζεται εστιακή απόσταση του κατόπτρου. Τα κάτοπτρα δεν παρουσιάζουν κανένα από τα σφάλματα των φακών.

Το πρώτο από τα μεσαία σχήματα δείχνει τη λειτουργίας ενός απλού διοπτρικού τηλεσκοπίου. Παράλληλη δέσμη από μακρυνό αντικείμενο εστιάζεται από τον ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΙΚΟ ΦΑΚΌ διαμέτρου D. Το πραγματικό είδωλο του παρατηρούμενου αντικειμένου στην εστία μεγενθυνεται από τον προσοφθάλμιο φακό και φτάνει στο μάτι του παρατηρητή. Το δεύτερο σχήμα δείχνει τη λειτουργία ενός απλού κατοπτρικου τηλεσκοπίου. Η παράλληλη δέσμη του μακρυνού αντικειμένου εστιάζεται ανακλωμενη ΣΤΟ ΠΡΩΤΕΎΟΝ ΚΟΊΛΟ ΚΆΤΟΠΤΡΟ διαμέτρου D. Στη πορεία της δέσμης παρεμβαλεται επίπεδο κάτοπτρο (ΔΕΥΤΕΡΕΎΟΝ ΚΆΤΟΠΤΡΟ) κατά τρόπο ώστε η δέσμη να αποκλίνει 90 μοίρες και να φτασει στο μάτι του παρατηρητή. Το δευτερεύον επίπεδο κάτοπτρο δημιουργεί φανταστικό είδωλο όπου το δεξιά τμήμα του αντικειμένου φαίνεται αριστερά και το δεξιά αριστερά(βλ. καθρέπτης). Το είδωλο παρατηρείται στη συνέχεια μέσω προσοφθάλμιου. Η δυσκολία εδώ είναι ότι πρέπει να παρεμβληθεί επίπεδο κάτοπτρο για να κατευθύνει την ανακλωμενη δέσμη στο μάτι μας. Το κάτοπτρο αυτό εκ των πραγμάτων κόβει ένα τμήμα του εισερχόμενου φωτός. Η παραπάνω λύση οφείλεται στον Νεύτωνα (υπάρχουν κι άλλες) και τα αντίστοιχα τηλεσκόπια Νευτωνεια.

Το τρίτο σχήμα είναι η κλίμακα ειδώλου. Αν πάρουμε το είδωλο σε φωτογραφική πλάκα τοποθετημένη στην εστία μέσω του σχήματος μπορούμε να αντιστοιχισουμε τη γωνία που καταλαμβάνει το αντικείμενο στον ουρανό σε δεύτερα (”) με mm στη φωτογραφική πλάκα.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΛΕΣΚΟΠΙΩΝ

Τα παρακάτω πρέπει να γνωρίζει απαραίτητα οποιος θέλει να αγοράσει τηλεσκόπιο. F, f η εστιακή απόσταση του αντικειμενικου φακού ή του πρωτευοντος κατόπτρου και του προσοφθάλμιου που δίνονται από τον κατασκευαστή. D η διάμετρος του αντικειμενικου φακού ή του πρωτευοντος κατόπτρου μετρούμενη συνήθως σε ιντσες(in) ή mm ή cm. 1in = 2,54 cm.

1.Εστιακος λόγος f/x όπου x = F/D. Πχ αν F = 254 cm, D = 10 in = 25,4 cm τότε x = 10 και ο εστιακος λόγος είναι f/10. Όσο πιο μικρός είναι ο εστιακος λόγος τόσο πιο γρήγορο είναι το τηλεσκόπιο στοιχείο που έχει να κάνει με την αστροφωτογραφιση. Όποιος σκοπεύει να ασχοληθεί με αστροφωτογραφιση πρέπει να διαλέξει τηλεσκόπιο με εστιακό λόγο f/4 η και λίγο μεγαλύτερο ανάλογα με άλλα στοιχεία και κόστος.

2.Διακριτική ικανότητα ω. Ίσως το πιο σημαντικό στοιχείο ενός τηλεσκοπίου. Μας δίνει σε δεύτερα(”) της μοίρας την ελάχιστη  γωνιωδη απόσταση δύο αστέρων που μπορούν να διακριθούν σαν δύο από το τηλεσκόπιο μας. Δίνεται από την εξίσωση ω” = 206265χ1, 22λ/D. Δηλαδή ΌΣΟ ΜΕΓΑΛΎΤΕΡΗ ΕΊΝΑΙ Η D ΤΌΣΟ ΜΙΚΡΌΤΕΡΗ ΕΊΝΑΙ Η ω. Σαν λ αντικαθιστουμε το ενδιάμεσο του ορατού λ = 550 nm.

3.Μεγεθυνση  Μ = F/f . Από την εξίσωση αυτή φαίνεται ότι μπορούμε να αυξήσουμε όσο θέλουμε τη μεγέθυνση χρησιμοποιώντας προσοφθάλμιου μικρής εστιακής απόστασης f. Όμως κάθε φορά που αυξάνουμε τη μεγέθυνση έχουμε ελάττωση της λαμπρότητας καθώς το ίδιο φως κατανέμεται σε μεγαλύτερη επιφάνεια. ΔΕΝ ΑΠΟΤΕΛΕΊ ΕΠΌΜΕΝΩΣ ΚΡΗΤΗΡΙΟ Η ΜΕΓΈΘΥΝΣΗ ΓΙΑ ΑΓΟΡΆ ΤΗΛΕΣΚΟΠΊΟΥ ΑΛΛΆ Η ΔΙΆΜΕΤΡΟ ΤΟΥ D. Το ελάχιστο για ερασιτεχνικό τηλεσκόπιο που προτείνω είναι D = 8 in, το δικό μου είναι 10 in, αντε να φτάσουμε τις 12 in γιατί μετά βαραίνουν πολύ. Το μεγαλύτερο επίγειο οπτικό τηλεσκόπιο βρίσκεται στα κανάρια νησιά και είναι κατοπτρικο με D = 10,4 m.

Τα κατοπτρικά τηλεσκόπια είναι τα πιο συνηθισμένα γιατί είναι πιο φτηνά και έχουν καλύτερη στήριξη.

Υπάρχουν δύο είδη στηρίξεως τηλεσκοπιων η αλταζιμουθιακη και η ισημερινη. Στην αλταζιμουθιακη το τηλεσκόπιο κινείται γύρω από  έναν οριζόντιο άξονα και γύρω από έναν κατακόρυφο. Στην ισημερινη το τηλεσκόπιο κινείται γύρω από έναν άξονα κατά μήκος του άξονα περιστροφής της γης. Η ισημερινη στήριξη είναι βασική στην αστροφωτογραφιση.

Τέλος να πούμε ότι η καλή λειτουργία ενός επίγειου οπτικού τηλεσκοπίου οφείλεται στην ποιότητα των οπτικών του πχ πολύ πολύ καλή λείανση και στη συντήρηση τους. Επιπλέον ένα τηλεσκόπιο θα αποδώσει καλύτερα σε συνθήκες ξηρής ατμόσφαιρας και χωρίς φωτορυπανση. Η πιο ξηρή περιοχή του πλανήτη μας, 100 φορές πιο ξηρή από τη δεύτερη, είναι η έρημος Ατακαμα στη Χιλή όπου και είναι τοποθετημένα αρκετά τηλεσκόπια με σημαντικότερο το Very Large Telescope (VLT) του Ευρωπαϊκού οργανισμού διαστήματος. Πρόκειται για ένα σύστημα 4 συνεργαζομενων τηλεσκοπιων διαμέτρου 8,2 m το κάθε ένα.